【摘 要】
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锑是重要的自然矿物质资源,具有广泛的商业应用。但土壤、大气、水体生态圈受其污染日益严重,严重影响了人们的健康。探索去除水中锑的高效、经济、环保的方法具有重要意义。目前,水中锑的主要去除方法包含混凝沉淀、离子交换、电化学、膜分离、吸附法等,吸附法是目前应用最为广泛的方法。采用纳米颗粒是高效吸附剂开发的重要对象,但其团聚效应会影响吸附效果。本项目通过将磁性纳米颗粒负载在菌菇生物炭表面,研究出一种磁性金
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锑是重要的自然矿物质资源,具有广泛的商业应用。但土壤、大气、水体生态圈受其污染日益严重,严重影响了人们的健康。探索去除水中锑的高效、经济、环保的方法具有重要意义。目前,水中锑的主要去除方法包含混凝沉淀、离子交换、电化学、膜分离、吸附法等,吸附法是目前应用最为广泛的方法。采用纳米颗粒是高效吸附剂开发的重要对象,但其团聚效应会影响吸附效果。本项目通过将磁性纳米颗粒负载在菌菇生物炭表面,研究出一种磁性金属有机骨架(Ui O-66-(COOH)2)的纳米颗粒负载于菌菇生物炭的吸附剂,扩大了磁性纳米颗粒与污染物的接触空间,减少了磁性纳米材料的用量。研究表明,菌菇生物炭负载Ui O-66吸附剂去除水中三价锑(Sb(Ⅲ))效果较好。具体结果包括:1)研究不同磁性Ui O-66负载量、合成时间、合成温度和引发剂浓度对磁性MOFs-菌菇生物炭吸附剂及其对Sb(Ⅲ)吸附的影响:吸附剂的最优合成条件为m磁性MOFs/m生物炭质量比为4:1、合成温度70℃、合成时间2.5 h、引发剂浓度4 mmol/L。扫描电镜结果显示:m磁性MOFs/m生物炭为4:1时,磁性MOFs在生物炭表面成簇分布且覆盖面积广;为1:1时,分布空间相对减少;为1:4时,生物炭表面的裸露面积较大,解释了Sb(Ⅲ)吸附在4:1时效果好的原因。m磁性MOFs/m生物炭为4:1时,吸附剂的聚合度高,与更宽的X-射线衍射峰的结果一致。傅里叶红外结果显示磁性MOFs和生物炭材料的结合使得618 cm-1附近产生蓝移,同时引发剂的加入使得复合材料在1579 cm-1附近的红移现象明显,表明磁性MOFs和生物炭材料的成功结合,并且改善了两种材料在水体中的分散性。吸附剂为超顺磁性材料,饱和磁化强度为36.25 emu/g,经过吸附后,最小饱和磁化强度为26.06emu/g,仍具有较好的磁性,可进行磁分离回收。2)研究不同投加量、p H、吸附温度、初始Sb(Ⅲ)浓度、共存离子、吸附时间对吸附剂吸附Sb(Ⅲ)性能的影响。综合考虑去除率和吸附容量,选取投加量为1000 mg/L,此时吸附剂Sb(Ⅲ)去除率为85.5%,吸附容量为14.3 mg/g。通过p H影响实验,显示环境p H的变化对于磁性MOFs-生物炭复合材料吸附性能有着重要影响,在p H为6.8和9.1的稳定p H环境中,磁性MOFs-生物炭复合材料吸附容量较高,投加量为60 mg时可分别达到16.77 mg/g和19.35 mg/g。随着吸附温度的升高,吸附剂的吸附容量少量提高,在313K达到19.3 mg/g,综合经济效益选择303 K为最佳吸附温度。初始Sb(Ⅲ)浓度越高,吸附剂的吸附容量越高,但去除率会下降。在初始Sb(Ⅲ)浓度为50 mg/L时,吸附容量为33.9 mg/g,去除率下降到67.8%。水体中共存离子NO3-、Cl-、SO42-、PO43-四种共存阴离子对于磁性MOFs-生物炭复合材料吸附Sb(Ⅲ)性能有抑制作用,但去除率总体下降程度不超过5%。在p H为4.0、6.8、9.1时,吸附剂的吸附平衡时间都在4 h以内,且长时间的吸附中不会将已经吸附的Sb(Ⅲ)释放到水体环境中,具有较好的稳定性。3)Sb(Ⅲ)吸附吻合拟二级(Pseudo-second-order)动力学模型和Freundlich等温吸附模型。Freundlich等温吸附模型中1/n值小于0.5,显示吸附易形成,产物结合稳定。颗粒扩散(Intraparticle diffusion)动力学模型拟合结果表明:吸附不由内扩散单一控制,保持三步吸附过程机理,即(1)表面持续吸附,其中吸附剂活性位点决定吸附效率;(2)缓慢吸附过程和吸附剂内部扩散,其中吸附剂内部扩散程度和孔内化学活性位点决定吸附速率;(3)吸附平衡,Sb(Ⅲ)吸附达到动态平衡。吸附热力学结果显示:吸附反应的活化能为8.772 k J·mol-1,属于化学吸附;吸附反应焓变和熵变大于零,吉布斯自由能为负值,吸附过程为自发且无序的吸热反应。
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